电子技术基础与技能助教课件第6章电力电子器件及应用

1、第第6章章 电力电子器件及应用电力电子器件及应用知识目标知识目标 1. 了解晶闸管的结构、工作原理及伏安特性，会用万了解晶闸管的结构、工作原理及伏安特性，会用万用表对晶闸管进行测试和判别。用表对晶闸管进行测试和判别。 2. 掌握晶闸管的导通条件和关断条件。掌握晶闸管的导通条件和关断条件。 3. 了解双向晶闸管的结构和工作原理，会用万用表对了解双向晶闸管的结构和工作原理，会用万用表对双向晶闸管进行测试和判别。双向晶闸管进行测试和判别。 4. 了解常见可控整流电路的形式及工作原理，会安装了解常见可控整流电路的形式及工作原理，会安装调试简单可控整流电路。调试简单可控整流电路。 5. 了解其他常用电力

2、电子器件应用。了解其他常用电力电子器件应用。技能目标技能目标 1. 会识别晶闸管、单结晶体管；会识别晶闸管、单结晶体管； 2. 会用万用表测试晶闸管、单结晶体管；会用万用表测试晶闸管、单结晶体管； 3. 会安装、调试调光台灯电路。会安装、调试调光台灯电路。6.1 晶闸管晶闸管6.1.1 晶闸管的结构与外形晶闸管的结构与外形 1.晶闸管的外形晶闸管的外形 2. 晶闸管的结构晶闸管的结构 a) 结构结构 b) 等效电路等效电路 图图63 晶闸管的结构与等效电路晶闸管的结构与等效电路6.1.2 晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通与关断条件 在晶闸管在晶闸管A A、K K两端加正向电压，同时两端加正向

3、电压，同时G G、K K两两端也加有适当正向触发电压，晶闸管才能导通。端也加有适当正向触发电压，晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通后，门极就失去了控制作用，晶闸管一旦导通后，门极就失去了控制作用，维持导通。维持导通。 图图64 64 晶闸管反向阻断晶闸管反向阻断 图图65 65 晶闸管正向阻断晶闸管正向阻断图图66 66 晶闸管导通晶闸管导通 图图67 67 晶闸管维持导通晶闸管维持导通6.1.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 额定正向平均电流额定正向平均电流IT（A V） 额定电压额定电压Un 正向阻断峰值电压正向阻断峰值电压UFRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 正向平均电压正

4、向平均电压UF（A V） 维持电流维持电流IH 6.1.4 给晶闸管做体检给晶闸管做体检 【极性的判断】【极性的判断】 将万用表置于将万用表置于“R R1k”1k”或或“R R100”100”挡，如果测得其中两个电极的正向电阻挡，如果测得其中两个电极的正向电阻较小，而交换表笔后测得反向电阻很大，那么以阻较小，而交换表笔后测得反向电阻很大，那么以阻值较小的一次为准，黑表笔所接的就是门极值较小的一次为准，黑表笔所接的就是门极G G，而红，而红表笔所接的就是阴极表笔所接的就是阴极K K，剩下的电极便是阳极，剩下的电极便是阳极A A。 【质量的判断】【质量的判断】 将万用表置于将万用表置于“R R10

5、”10”挡，黑挡，黑表笔接阳极，红表笔接阴极，指针应接近表笔接阳极，红表笔接阴极，指针应接近，短接，短接阳极和门极，表针应指向很小的阻值，约为阳极和门极，表针应指向很小的阻值，约为6060200200，表明单向晶闸管能触发导通；断开，表明单向晶闸管能触发导通；断开S S，表针，表针回不到回不到，表明晶闸管是正常的，表明晶闸管是正常的 6.1.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 【晶闸管对触发电路的要求】【晶闸管对触发电路的要求】 1 1触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率。触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率。2 2触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步。触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步。

6、3 3触发脉冲能满足主电路移相范围的要求。触发脉冲能满足主电路移相范围的要求。4 4触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡。触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡。【触发电路的分类】【触发电路的分类】 触发电路通常以组成的主要元件名称分类，可分为触发电路通常以组成的主要元件名称分类，可分为单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器、计算机控制数字触发电路等。触发器、计算机控制数字触发电路等。单结晶体管触发电路特点单结晶体管触发电路特点 单结晶体管触发电路结构简单，输出脉冲前沿陡，单结晶体管触发电路结构简单，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，运行可靠，调试

7、方便，广泛应用于抗干扰能力强，运行可靠，调试方便，广泛应用于对中小容量晶闸管的触发控制。对中小容量晶闸管的触发控制。 单结晶体管外形及结构如图单结晶体管外形及结构如图69所示。所示。 图图69 单结晶体管的结构及其符号单结晶体管的结构及其符号 单结晶体管自激振荡电路单结晶体管自激振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性和利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电电路的充放电特性，可以组成单结晶体管自激振荡电路。如图特性，可以组成单结晶体管自激振荡电路。如图611所示。所示。 图图611 自激振荡电路及其波形自激振荡电路及其波形 6.2 可控整流电路可控整流电路 6.2.1 6.2.1 单相半波可控整

8、流电路单相半波可控整流电路 图图6-12a 是单相半波电阻性负载可控整流电路，是单相半波电阻性负载可控整流电路，其触发电路是加了同步环节的单结晶体管振荡电路。其触发电路是加了同步环节的单结晶体管振荡电路。图图6-12 具有同步环节的单结晶体管触发电路具有同步环节的单结晶体管触发电路 相关电量计算相关电量计算 1 1）负载上直流平均电压）负载上直流平均电压Ud与平均电流与平均电流Id 2 2）晶闸管两端可能承受的最大正反向电压）晶闸管两端可能承受的最大正反向电压UTM UTM= 2cos145. 02UdUdddRUI22U6.2.2 6.2.2 单相全控桥整流电路单相全控桥整流电路 图图6-1

9、36-13为单相全控桥整流电路为单相全控桥整流电路。图图6-13 6-13 单相全控桥整流电路及波形单相全控桥整流电路及波形 在交流电源电压在交流电源电压u2的正负半周里，的正负半周里，VT1、VT3和和VT2、VT4两组晶闸管轮流被触发导通，两组晶闸管轮流被触发导通，将交流电转变成脉动的直流电。改变将交流电转变成脉动的直流电。改变 角的角的大小，负载电压大小，负载电压ud、电流、电流id的波形及整流输出的波形及整流输出直流电压平均值均相应改变。直流电压平均值均相应改变。相关电量计算相关电量计算 1) 1) 输出直流电压平均值输出直流电压平均值Ud 2)2)输出直流电流平均值输出直流电流平均值

10、Id 3)3)晶闸管电流平均值晶闸管电流平均值IdT 4 4）晶闸管两端可能承受的最大正反向电压）晶闸管两端可能承受的最大正反向电压UTM UTM= 2cos19 . 02dUUddd/ RUI 2cos145. 021d2ddTRUII22U6.3 6.3 双向晶闸管及交流调压双向晶闸管及交流调压 6.3.1 6.3.1 双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管的结构和符号如图双向晶闸管的结构和符号如图6-176-17所示。所示。 图图6-17 6-17 双向晶闸管的结构和符号双向晶闸管的结构和符号 双向晶闸管的主电极双向晶闸管的主电极T1T1和和T2T2无论加正向电压还是无论加正向电压还是反向电压

11、，其门极反向电压，其门极G G的触发信号无论是正向还是反向，的触发信号无论是正向还是反向，它都能被它都能被“触发触发”导通。导通。 双向晶闸管的主要参数双向晶闸管的主要参数 只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值流不是用平均值，而是用有效值( (方均根值方均根值) )来表示，来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角定义为：在标准散热

12、条件下，当器件的单向导通角大于大于170170时，允许流过器件的最大交流正弦电流的时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用有效值，用IT(RMS)表示。表示。6.3.2 6.3.2 交流调压交流调压 如图如图6-18所示，交流电源经由一只双向晶闸管连接所示，交流电源经由一只双向晶闸管连接电阻负载构成主电路。电阻负载构成主电路。 图图6-18 6-18 单相交流调压电路及波形单相交流调压电路及波形 双向晶闸管实用调压电路双向晶闸管实用调压电路 图图6-196-19所示为双向晶闸管实用调压电路，改变所示为双向晶闸管实用调压电路，改变RP即即可调整双向晶闸管的控制角可调整双向晶闸管的控制角 ，

13、达到负载电阻，达到负载电阻RL两端两端电压可调。电压可调。 图图6-19 6-19 双向晶闸管调压电路双向晶闸管调压电路 相关电量计算相关电量计算 输出交流电压有效值输出交流电压有效值UR和电流有效值和电流有效值I I计算公式为计算公式为 2sin21RUU2sin21RRURUI6.4 6.4 其他电力电子器件简介其他电力电子器件简介 6.4.1 6.4.1 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO） GTOGTO的导通机理与普通晶闸管完全一样，的导通机理与普通晶闸管完全一样，GTOGTO一旦导一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，但在制作时采用通之后，门极信号是可以撤除的，但在制作时采用特殊

14、的工艺使管子导通后处于临界饱和状态，而不特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和状态，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样就可以用象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样就可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断，因此，门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断，因此，在关断机理上与晶闸管是不同的。门极加负脉冲即在关断机理上与晶闸管是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽取饱和导通时储存的大量载从门极抽出电流（即抽取饱和导通时储存的大量载流子），强烈的正反馈使器件退出饱和而关断。流子），强烈的正反馈使器件退出饱和而关断。作为一种全控型电力电子器件，作为一种全控型电力电子器件，GTOGTO主要用于

15、直流变换主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，达到兆瓦数量级。量较大，与普通晶闸管相近，达到兆瓦数量级。6.4.2 6.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR） GTR GTR的结构与普通晶体管基本一样，也是由三层半的结构与普通晶体管基本一样，也是由三层半导体、两个导体、两个PNPN结构成，引出的三个电极分别为基极结构成，引出的三个电极分别为基极B B、集电极集电极C C和发射极和发射极E E，分为，分为NPNNPN型和型和PNPPNP型两种。型两种。 GTRGTR具有自关断能力，并有开关时间短、

16、饱和压降具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等特点。近几年来，由于低和安全工作区宽等特点。近几年来，由于GTRGTR实现实现了高频化、模块化、廉价化，因此，被广泛用于交了高频化、模块化、廉价化，因此，被广泛用于交流电机调速、不停电电源和中频电源等电力变流装流电机调速、不停电电源和中频电源等电力变流装置中。置中。 6.4.3 6.4.3 电力电力MOSMOS场效应晶体管（场效应晶体管（P-MOSFETP-MOSFET） 电力电力MOSMOS场效应晶体管的导电沟道也分为沟道和场效应晶体管的导电沟道也分为沟道和沟道，栅偏压为零时漏源之间就存在导电沟道的称沟道，栅偏压为零时漏源之间

17、就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（沟道）才存在导电沟道为耗尽型，栅偏压大于零（沟道）才存在导电沟道的称为增强型。的称为增强型。 目前电力目前电力MOSMOS场效应晶体管的耐压可达场效应晶体管的耐压可达1000V1000V，电流，电流为为200A200A，开关时间为，开关时间为13ns13ns，因此，它在小容量机器人，因此，它在小容量机器人传动装置、荧光灯镇流器及各类开关电路中应用极为传动装置、荧光灯镇流器及各类开关电路中应用极为广泛。广泛。 6.4.4 6.4.4 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） 绝缘栅双极型晶体管简称为绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT,IG

18、BT,是是8080年代中期发年代中期发展起来的一种新型复合器件。展起来的一种新型复合器件。IGBTIGBT综合了综合了PMOSFETPMOSFET和和GTRGTR的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。低、阻断电压高、承受电流大的优点。 IGBTIGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，施以正电压时，MOSFETMOSFET内形成沟道，从而使内形成沟道，从而使IGBTIGBT导通。导通。在栅极上施以负电压时，在栅极上施以负电压时，MOSFETMOSFET内的沟道